Limites du principe de Landauer et du second principe de la thermodynamique

Depuis 1857, le second principe de la thermodynamique est confronté au défi d’un démon, imaginé par Maxwell, qui serait capable de diminuer l’entropie d’un gaz à l’aide d’une information sur son état. La réponse généralement admise à ce défi suggère que l’effacement de cette information compenserait, selon le principe de Landauer, la réduction d’entropie obtenue par le démon. Des expériences récentes portant sur des systèmes physiques à deux états, soumis à des fluctuations thermiques à l’échelle nanoscopique, ont cherché soit à prouver le principe de Landauer, soit à réaliser une machine de Szilard ou un démon de Maxwell. Nous avons écrit les équations et développé un modèle numérique permettant d’observer et de comprendre l’évolution de ces systèmes. Les résultats montrent que l’entropie thermodynamique et l’entropie d’information ne sont pas équivalentes. Ils démontrent également que le principe de Landauer a un domaine d’application limité et que, grâce à une mémoire à deux états, il est possible d’éliminer une faible quantité d’entropie sans dépenser d’énergie, ce qui constitue une violation locale du second principe de la thermodynamique à l’échelle nanoscopique.

Since 1857, the second law of thermodynamics has faced the challenge of Maxwell’s imagined demon. The widely accepted response to this challenge suggests that the demon requires a bit of information to work, and according to Landauer’s principle, the erasure of this bit must offset the entropy reduction achieved by the demon. Recent experiments involving two-state physical systems subject to thermal fluctuations at the nanoscale have aimed to either prove Landauer’s principle or to demonstrate Szilard engines or Maxwell’s demons in practice. We wrote the equations and developed a numerical model to simulate the evolution of these systems. The results highlight the distinction between thermodynamic entropy and information entropy. They demonstrate that Landauer’s principle has a limited range of applicability and that, using a two-state memory, it is possible to eliminate a small amount of entropy without expending energy—challenging the second law of thermodynamics at the nanoscale.

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